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中科院蘇州納米所張珽研究員團隊 AM：具有Janus結構高機械強度的選擇性響應柔性力學傳感器

2023-05-31 來源：高分子科技

兼具優異機械性能與不同類型力選擇性響應能力，是促進柔性力學傳感器件走向實際應用的關鍵難點之一。現有柔性感知器件主要是以敏感材料均質薄膜來構建，其組成單元各向同性的微觀結構，使其在受彎曲、壓縮或拉伸等不同類型力時具有相同或相似的響應模式，造成器件輸出感知信號相近并容易產生相互干擾、且需后端電路或數學模型來進行信息解耦處理等問題，同時優異機械性能及自修復等特性對柔性器件在復雜環境下應用穩定性具有重要的實際意義。

圖1、具有Janus結構PU-TA@MXene敏感薄膜梯度結構及制備流程示意圖。

近期，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張珽研究員團隊提出以人體皮膚梯度結構為仿生原型（圖1a），創新性利用單寧酸（TA）修飾后MXene（Ti₃C₂T_x）二維片層（圖1b）在水性聚氨酯（PU）中自由沉降相分離過程（圖1c），制備了具有PU層內Ti₃C₂T_x相梯度分布仿生“非對稱（Janus）”結構復合敏感薄膜材料（PU-TA@MXene，圖2a-c）。一方面，末端帶有豐富羥基官能團TA分子于MXene與PU基底之間形成大量氫鍵/共價鍵僑聯（圖2g），利用這些鍵合作用在受力過程中斷裂和重組性質，賦予了敏感薄膜優異的機械強度和自修復性能（圖3，斷裂伸長率達2056.67%、拉伸強度達50.78 MPa、自修復后機械強度保持率>90%），使敏感材料在復雜環境長期使用時信號輸出穩定性得到提升。另一方面，仿生“非對稱（Janus）”結構賦予了所構建柔性力學傳感器對內/外異向彎曲、壓力和拉力具有多功能選擇性響應能力（圖4，壓力不響應、MXene高梯度側彎曲電阻變小、其低梯度側彎曲電阻變大、拉伸輸出信號模式不同），與機器學習算法技術相結合能實現>96%的不同類型力識別效率（圖5）。進一步，將此高機械強度、選擇性響應柔性力學傳感器件應用于存在多狀態實時轉換的人體運動關節監測方面，可實現對乒乓球、籃球、羽毛球等需要大量關節切換動作的運動項目實時監控；同時，該柔性力學傳感器異向彎曲選擇性響應能力，也可應用于蛇形智能裝備在救援廢墟等復雜環境中通過實時識別自身運動方向和角度來探索和建立未知路徑軌跡（圖6）。該工作以“Multifunctional Flexible Sensor Based on PU-TA@MXene Janus Architecture for Selective Direction Recognition”為題發表在《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202302847），文章第一作者是中科院蘇州納米所白菊碩士和谷文博士，通訊作者是李鐵項目研究員和張珽研究員。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金（杰青/面上）、中科院青促會、江西省杰青、江蘇省面上基金及蘇州市項目等支持。

圖2、具有Janus結構PU-TA@MXene敏感薄膜形貌與結構表征結果圖。

圖3、具有Janus結構PU-TA@MXene敏感薄膜機械強度及自修復性能圖

圖4、基于PU-TA@MXene敏感薄膜柔性傳感器感知機理及選擇性響應性能圖

圖5、基于PU-TA@MXene敏感薄膜柔性傳感器彎曲、壓力和拉力高效區分性能圖。

圖6、柔性傳感器在多狀態實時轉換運動關節監測和裝備未知路徑探測應用性能圖。

該工作是團隊關于多功能柔性傳感器相關研究的最新進展之一。均質結構柔性敏感材料反而往往會限制感知器件的選擇性響應，為此團隊創新性利用自沉降相分離自組裝策略制備了具有仿生Janus結構薄膜柔性力學傳感器件，實現了對內/外異向彎曲、壓力和拉力不同類型力選擇性響應能力，同時通過構建薄膜內氫鍵/共價鍵賦予了傳感器優異機械強度和自修復性能，為其在實際應用中穩定性提供重要保障。另外，團隊也制備了一系列性能優異的多功能柔性傳感器件，主要包括發展了柔性器件仿手指表皮一體疊層界面結構設計方法，實現單一柔性觸覺傳感器件對靜態壓力、靜態摩擦力及動態摩擦力選擇性響應能力（Research, 2020, 2020, 8910692; Nanoscale, 2019, 11, 5737.），結合與神經識別模式相匹配脈沖頻率電信號轉換與機器學習數據處理技術（計量與測試技術, 2020, 47(6), 1-4+8.），賦予了仿生假肢手、仿真機器人等智能裝備對物體冷/熱、干/濕狀態（Acc. Chem. Res. 2019, 52, 288; Small, 2018, 14(36), 1703902; Adv. Sci. 2017, 4, 1600404.）及材質與種類（InfoMat, 2023, Accepted; npj Flexible Electronics, 2022, 6, 46; 中國科學: 技術科學, 2022, 62.）等類人手精細感知能力（圖7），并與上海交通大學、北京航空航天大學等合作方開展了柔性觸覺傳感器在“人-器”融合方面工程驗證工作，應用性能得到了合作單位的高度肯定。

圖7、仿手指皮膚一體化疊層界面結構設計柔性觸覺傳感器及其應用

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202302847

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（責任編輯：xu）

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